Caractéristiques de la lumière

La lumière blanche et les lumières colorées ont des propriétés communes et des caractéristiques spécifiques, porteuses de renseignements sur leur source.

I. La lumière blanche

Repère
À noter

Dans tout milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite. Dans le vide ou dans l’air, sa vitesse de propagation est $c=3,00 \times 10^8 ~m.s^{-1}$.

Un prisme permet de décomposer la lumière émise par une source et d’obtenir son spectre.

Le spectre de la lumière blanche est continu. Cette lumière est composée d’une infinité de couleurs ; on dit qu’elle est polychromatique. La lumière du Soleil est une lumière blanche.

Chaque couleur du spectre est associée à une radiation caractérisée dans le vide par sa longueur d’onde notée $\lambda$ et exprimée en nanomètres ($1~nm=1 \times 10^{-9}~m$).

Le spectre de la lumière visible s’étend du violet au rouge. Au-delà du rouge ($\lambda \gt 800~nm$) se trouvent les infrarouges et en deçà du violet ($\lambda \lt 400~nm$) se trouvent les ultraviolets.

II. Différents spectres d’émission

Tout corps chaud (solide, liquide ou gaz) sous haute pression émet une lumière dont le spectre est continu. Lorsque la température $T$ du corps augmente, sa couleur passe du rouge au blanc et le spectre de sa lumière s’enrichit vers le violet.

Un gaz (à basse pression) chauffé ou soumis à une décharge électrique émet une lumière dont le spectre est discontinu. Les raies observées sont caractéristiques des entités chimiques présentes dans le gaz.

Exemple : Le spectre de raies de l’hydrogène comporte les raies suivantes : $410~nm$ ; $434~nm$ ; $486~nm$ et $656~nm$.

Méthode 1 - Calculer une durée de propagation de la lumière dans le vide

Le Soleil et la Terre sont éloignés d’environ $150$ millions de kilomètres.

Calculer la durée mise par la lumière pour nous parvenir du Soleil.

Repère
Conseils

Soyez attentif aux unités. La vitesse c s’exprime en $m.s^{-1}$, donc la distance doit être exprimée en mètres pour que la durée soit exprimée en secondes.

On a : $1~000~000~km = 1 \times 10^6~km = 1 \times 10^9~m$.

La vitesse de propagation est le quotient de la distance d parcourue par la durée de parcours $\Delta t$. La durée peut donc être déterminée en connaissant la vitesse et la distance.

Solution

Par définition de la vitesse de la lumière : $c=\dfrac{d}{\Delta t}$ donc $\Delta t = \dfrac{c}{d}$.

$c=3,00 \times 10^8 ~m.s^{-1}$ et $d=150 \times 10^9~m$

donc $\Delta t = \dfrac{150 \times 10^9}{3,00 \times 10^8}=500~s$.

La lumière du Soleil met environ $500~s$ soit $\dfrac{500}{60} = 8,3~min$ pour nous parvenir.

Méthode 2 - Analyser la lumière d’un laser

Voici le spectre de la lumière d’un laser.

a. Quelle est la nature de ce spectre ?

b. Pourquoi parle-t-on de lumière monochromatique ?

Conseils

Chaque couleur du spectre est associée à une radiation caractérisée par une longueur d’onde $\lambda$.

Solution

Mots clés

• Le spectre d’une lumière monochromatique est constitué d’une seule raie.

• Toute lumière qui n’est pas monochromatique est une lumière polychromatique, son spectre est soit un spectre continu, soit un spectre constitué de plusieurs raies.

a. C’est un spectre de raies montrant une seule raie rouge.

b. Le laser produit une lumière monochromatique, caractérisée par une seule longueur d’onde $\lambda$ car elle ne possède qu’une seule couleur sur son spectre.